美國科學教育理念的拓展

張殷　張紅霞　羅星凱

摘 要 美國發布的《新一代科學教育標準》展示了美國基礎教育階段科學教育理念的重大拓展。第一，面對今天廣大的人造世界環境，新標準強調“工程技術”不僅僅是科學的應用，而且是人類改造世界的一項系統化實踐，因此，即便是在低年級階段也具有重要教育意義；第二，用“實踐行為表現”作為評價學習效果的重要指標；第三，落實科學教育與數學、閱讀等其他學科教育標準的融合；第四，從教育公平角度明確提出為超常學生提供與其學習能力相應的學習機會。

關鍵詞 科學教育 教育標準 基礎教育

鑒于美國學生在國際評價中科學與數學成就排名落后的現象[1]、美國高科技產業全球市場份額的降低[2]、民主政治社會的需要以及日益復雜的科技帶來的社會問題[3]，美國社會各界對科學教育改革的呼聲越來越大。美國《新一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards，簡稱NGSS）在2013年4月正式發布。

一、在基礎教育階段，工程技術教育的地位提升

自近代科學誕生以來，人類對自然界的理解和開發已經使世界發生了重大變化，由工程技術帶來的人造世界在地球表面，尤其在人類居住的環境中占據了很大的份額。因此，在21世紀，人類的下一代對人造世界（the human-built world）的理解和控制能力與對自然界的理解和控制同樣重要。過去，人們對工程和技術常常存在兩個誤解：第一，認為工程設計就是對科學原理的簡單應用，“技術”無非是人們用以改造自然為我所用的一些方法；第二，誤將技術與計算機或電子設備這些具體的科技產品等同起來[4]。實際上，“‘工程這個術語廣義上指任何通過設計來獲得特定的人類問題解決方案的系統化實踐；同樣，‘技術一詞廣義上包括所有類型的人造系統和產生這些系統的工作流程。”[5]由此可以看出，“工程技術”概念含有三個特點：強調系統性、突出人類環境、囊括人的行為和社會關系等各種要素的相互聯系與作用。所以，工程技術包含著工程師們進行設計活動來滿足人類的需要和愿望時他們對自然世界和人類行為的理解[5]。其含義遠遠超過我們通常的誤解：將“工程技術”等同于“操作”和“科技產品的使用”。

NGSS提倡學生親歷工程設計去解決實際問題。學生應該具有這樣一些學習經歷：當他們面臨一項改變現實的實際任務時，要能夠識別關鍵問題所在，并能夠在給定的條件和標準下，提出可行的解決方案。然后根據既定方案著手構建模型并測試，最后拿出優化的方案，這些經驗將有助于他們更好地參與解決未來幾十年將要面對的社會問題和環境挑戰。在低年級階段，學生應懂得“工程”事關人們改變現狀的問題，能夠使用工具和材料去解決一些簡單的工程問題，能夠比較不同的工程方案哪個更好。在高年級階段，學生應有機會參與探討事關社會和全球的復雜問題，能夠將復雜問題分解成簡單的問題逐步解決，能夠根據確定的標準和給定的條件，從社會效益和環境效益兩個角度權衡利弊、評價方案。NGSS在教育內容上提出了“科學教育核心理念”、“科學和工程實踐”、“跨學科概念”三大板塊。為了達成工程與技術的教育目標，在“科學教育核心理念”板塊中，“工程、技術和科學應用”與“物質科學”、“生命科學”、“地球與空間科學”并列為“四大學科領域”，同時“工程設計”又作為次一級的內容出現在“科學和工程實踐”這個板塊中。可見工程技術在NGSS中的重要地位。事實上，即便是一直備受重視的“科學本質”（Nature of Science）在新標準中也沒有單獨成為教學目標的一項內容，而是被包涵在“科學和工程實踐”和“跨學科概念”兩個板塊中，被看成是對探究與實踐環節的補充，因為在實踐的基礎上學生才有機會和能力來思考他們究竟“做了什么”和“為什么做”等事關科學性質的問題。通過這種反思他們可以了解每項實踐活動的重要性，進而發展出一種精細的對科學本質的理解和欣賞，進而激發他們繼續在科學與工程技術領域學習深造或者成為具有STEM（Science，Technology，Engineering and Mathematics）素養的合格公民。

二、以“實踐行為表現”作為學習評價的重要指標

用“實踐行為表現”作為評價學生學習的重要指標，而不是過去使用主觀陳述性動詞（如“知道”、“了解”等）加“科學概念”的陳述，這是NGSS的又一發展。在物質科學、生命科學、地球與空間科學這三個學科領域中，有相當比例的學習評價環節是以實際的工程實踐問題作為考核學生科學核心理念的載體。學生要通過工程實踐展示他們對科學的全面理解，盡管隨著學段的升高這個比例略有減少，但到了高中階段仍然占有1/4。這就是說，在學生學習效果的評估方法上，NGSS將科學概念的理解與參與科學實踐、工程設計整合在一起，從而促進學生掌握真實世界中利用工程實踐解決實際問題的能力。

以三年級“天氣和氣候”主題下的評價標準為例：“做一個關于減少天氣自然災害的設計方案并闡明其可行性”。構成它的學生能力基本要素包含學科核心理念維度中的對“天氣”和“自然災害”概念的理解，還包含科學與工程實踐維度中的“工程設計”和“參與基于證據的辯論”，以及跨學科概念維度中“因果關系”的掌握。

由此可見，科學和工程實踐的結合不僅事關教學的內容、策略和方法，它還是學生成就的考核指標。“在未來的科學教育評估中，不會單獨評估學生對核心理念的理解，而是將核心理念的理解與科學探究和工程實踐能力結合在一起評估，顯示學生不僅‘知道科學概念，而且可以利用對科學概念的理解來探究自然界，或者通過工程設計手段解決人造世界的問題。”[4]NGSS采用“工程實踐行為表現”的可操作的顯性評價方式，可以對因不同教師對標準理解不同而導致的評價誤差和困難的問題有所改善。

三、“科學”與其他學科的聯系加強

如前所述，工程技術在NGSS中的定義強調系統性，突出人造環境，囊括人的行為和社會關系等各種要素及其相互聯系與作用。因此，對教育者來說，確保學生科學學科的學習與其他學科的一致性和有機聯系是非常重要的。

以數學為例，自然科學是一門定量的學科，數學是科學的語言。學生在初中和高中階段應該掌握許多強大的定量分析工具，這些工具在科學實踐中的應用，將遠遠超出純粹的數學課堂的教學效果。在不同情境下應用這些工具，既可以促進學生對數學更深入地理解和更牢固地掌握[4]，又可以提高學生科學實踐的深度。語文的讀寫能力對科學學習也至關重要。科學文獻閱讀可以促進學生對科學學科有關規范的理解、對使用證據的理解；還可以發展對復雜爭論的評判能力，對復雜信息（如科學概念的圖表和數據）的綜合能力等[4]。寫作和口頭表達能力則是學生在科學學習中提出論點和捍衛論點的主要手段。通過準確表達他們所經歷的、構想的、思考的以及學到的內容，展示對于某個科學概念他們究竟知道了什么。具體而言，NGSS在其每個主題下都列出了與數學和英語學科一致的考核標準。例如，三年級的“天氣與氣候”主題就包括了五條讀寫能力標準及五條數學能力標準。其中讀寫能力標準包括：比較不同文章對同一主題而呈現的核心觀點；實施短期的研究項目，構建關于主題的知識；回憶自己的經歷或從書本和電子化資源中收集信息，記錄證據來源并進行分類等[6]。數學能力標準包括：抽象及定量分析、數學建模、使用合適的工具等[6]。這樣，在教學中，針對“地球和人類活動”這一科學核心理念，教師提供了學生使用連續變量以及表示和解釋分類數據的機會。例如：作一個統計圖或柱狀圖來表示在十二月、一月、二月、三月最高溫度低于攝氏零度的天數，然后總計這個冬天有多少天低于攝氏零度？[4]

四、強調為超常兒童提供公平的學習機會

教育公平是一個永恒的話題。世界經濟合作與發展組織（OECD）提出教育公平有兩個涵義：第一個涵義是公正（fairness），就是要保證公民不因性別、社會經濟地位和種族等個人和社會因素妨礙其達到自己能力所允許的教育高度；第二個涵義是覆蓋（inclusion），就是要保證每個人都受到基本的、最低標準的教育[7] 。NGSS中，一方面包含了所有學生需要知道和能去做的必不可少的內容，要求所有學生都能達到所有方面的標準；另一方面，雖然NGSS沒有給出超前學習的內容和標準，但它通過多種方式確保學有余力的超常學生奠定學習高級課程的基礎，使得他（她）們有可能通過學習大學先修課程（Advanced Placement）或者其他高級課程提前進入更高的學習階段。在美國《不讓一個孩子掉隊法案（NCLB）》和《中小學教育法（ESEA）》文件中，專門討論和研究的群體是“經濟上弱勢的學生”、“少數族裔學生”、“殘疾學生”、“英語水平較低的學生”，而NGSS則把研究拓展到了包括“超常兒童”在內的七個群體，通過提供各個群體科學學習特點的研究資料，為課程、評價和教學決策提供了重要依據。對超常兒童群體的關注，實際上是NGSS對“公正”給出的新詮釋和拓展。

五、總結和啟示

綜上所述，NGSS展示了美國科學教育理念的新拓展。面對今天廣大的人造世界環境，NGSS所強調的工程技術，不僅僅是科學的應用而且是人類改造世界的一項系統化實踐，因此具有重要教育意義；而用“工程實踐行為”作為評價科學學習“輸出”（學習效果）的重要指標，對學生掌握真實世界中利用工程實踐解決實際問題的能力是有力的促進。鑒于我國沒有科學理性的文化基礎[8]，當然不可直接照搬美國新標準，實行所謂的“跨越式發展”，而應在考慮中美兩國國情和文化的重大差異前提下選擇性地借鑒與吸收，以避免導致中國的科學教育落入“將工程技術實踐等同于工匠操作”的教育誤區。同時也要考慮我國地域廣大、區域差異顯著的特點，對于一些發達地區大城市的環境，學生們生活的世界已經進入以人造世界為主的環境，因此可以考慮在發達地區結合中國本土特色，將科學教育與工程技術融合。

參考文獻

[1] Programme for International Student Assessment（PISA）Results From PISA 2012 [EB/OL].http：//www.oecd.org/pisa/keyfindings/PISA-2012-results-US.pdf， 2013-12/2014-2-26.

[2] Science Education In The 21st Century Why K12 Science Standards Matter-and why the time is rig-ht to develop NextGeneration Science Standards [EB/OL]. http：//www.nextgenscience.org/sites/ngss/files/Why%20K12%20Standards%20Matter%20-%20FINAL.pdf， 2012-5/2013-9-20.

[3] 萬東升，張紅霞. 美國國家科學教育新標準制訂過程的政策透視[J].外國教育研究，2011（9）.

[4]NGSS Lead States.Next Generation Science Standards：For States，By States.Volume 2：Appendixes.Washington，DC：The National Academies Press，2013.

[5] National Research Council.A Framework for K-12 Science Education： Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas. Washington， DC： The National Academies Press， 2012.

[6] [11]NGSS Lead States.NextGeneration Science Standards：For States，By States.Volume1：The Standards-Arranged by Disciplinary Core Ideas and by Topics. Washington，DC：The National Academies Press，2013.

[7] Simon Field，Malgorzata Kuczera，Beatriz Pont.No More Failures： Ten Steps to Equity in Education [EB/OL].http：//www.oecd.org/edu/school/nomorefailurestenstepstoequityineducation.htm，2007-11-14/2013-9-20.

[8] 萬東升，張紅霞.我國非正式科學教育發展的困境與路徑選擇——基于美國的經驗[J].教育科學，2013（4）.

[作者：張殷（1978-），女，廣西黎塘人，南京大學教育研究院在讀博士研究生，廣西師范大學物理科學與技術學院副教授；張紅霞（1959-），女，江蘇淮安人，南京大學教育研究院教授，博士；羅星凱（1958-），男，湖南新邵人，廣西師范大學物理科學與技術學院教授，博士。]

【責任編輯 鄭雪凌】